陳小義,徐忠偉,王 娜,徐瑞成
(1.武警醫(yī)學(xué)院生物學(xué)教研室,天津 300162;2.武警北京總隊第一醫(yī)院內(nèi)三科,北京 100062;3.天津市職業(yè)和環(huán)境危害生物標(biāo)志物重點實驗室,天津 300162)
內(nèi)源性哇巴因(ouabain)是由腎上腺皮質(zhì)球狀帶分泌的類固醇激素,哇巴因的異常分泌與原發(fā)性高血壓的發(fā)生發(fā)展關(guān)系密切,可能是高血壓發(fā)病的重要因素[1]。筆者前期研究發(fā)現(xiàn),哇巴因病理濃度0.01 ~10 μmol·L-1能抑制血管內(nèi)皮細胞增殖,誘導(dǎo)細胞凋亡,并損傷內(nèi)皮細胞間的連接功能[2]。血管內(nèi)皮細胞是一種感覺效應(yīng)器,生理條件下能夠感受血流壓力、炎癥信號和激素水平的變化,并維持血管壁的平衡狀態(tài)[3]。內(nèi)皮損傷時,平衡狀態(tài)改變,血管壁結(jié)構(gòu)受損,這可能是導(dǎo)致高血壓發(fā)生的早期病理生理學(xué)機制。作為一種與高血壓發(fā)病密切相關(guān)的內(nèi)循環(huán)激素,哇巴因可與細胞膜上的Na+/K+-ATP酶特異性地結(jié)合,并抑制Na+/K+轉(zhuǎn)運從而發(fā)揮一系列生物學(xué)效應(yīng)[4]。目前,關(guān)于哇巴因?qū)ρ軆?nèi)皮損傷的作用機制研究較少。本研究以人臍靜脈內(nèi)皮細胞ECV304作為靶細胞,觀察哇巴因?qū)ζ浼毎婊?、細胞凋亡、細胞?nèi)游離Ca2+濃度([Ca2+]i)、活性氧(reactive oxygen species,ROS)濃度和胱天蛋白酶3表達的影響,探討哇巴因損傷血管內(nèi)皮細胞的作用機制。
哇巴因,Hoechst33342和碘化丙錠(propidium iodide,PI),Sigma公司;RPMI 1640培養(yǎng)基:Gibco公司;Fluo-3/AM熒光探針和ROS熒光探針5(6)-羧基-2',7'-二氟二氫二乙酸熒光素〔5-(and-6)-carboxy-2', 7'-difluorodihydrofluorescein diacetate,H2DFFDA〕,美國Molecular Probe公司;逆轉(zhuǎn)錄PCR試劑盒,大連寶生物公司;兔抗人胱天蛋白酶3抗體:美國Santa Cruz公司;辣根過氧化物酶標(biāo)記羊抗兔IgG二抗:美國KPL公司;其他化學(xué)試劑均為國產(chǎn)分析純。
人臍靜脈內(nèi)皮細胞ECV304引自中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所細胞庫,按常規(guī)方法培養(yǎng),以5×108L-1細胞密度接種于培養(yǎng)瓶內(nèi),細胞生長融合度達到80%時,用胰蛋白酶/EDTA常規(guī)消化傳代。
常規(guī)方法接種細胞于96孔板,培養(yǎng)24 h后藥物處理。實驗組分別加入哇巴因0.01,0.05,0.1,0.5,1和10 μmol·L-1,同時設(shè)正常對照組和空白對照組(只加培養(yǎng)基,不加細胞),分別于加哇巴因后24,48和72 h加20 μl MTT(終濃度 5 g·L-1),繼續(xù)培養(yǎng) 4 h,1500×g離心10 min,棄上清,每孔加150 μl DMSO,避光震蕩10 min,于波長570 nm測定各孔吸光度(A)值。按公式計算細胞存活抑制率:抑制率(%)=(A正常對照-A實驗)/(A正常對照-A空白對照)×100%。
ECV304細胞于對數(shù)生長期常規(guī)消化傳代,調(diào)整細胞密度為5×108L-1,接種于75 ml培養(yǎng)瓶內(nèi),設(shè)正常對照組和哇巴因?qū)嶒灲M。實驗組為哇巴因0.1,1 和10 μmol·L-1作用 24 h,哇巴因 0.1 μmol·L-1作用48 h,常規(guī)消化,離心收集細胞,棄上清液,將細胞重懸于200 μl PBS中,加入 Hoechst33342和 PI各 20 μl(終濃度分別為 10 和 50 mg·L-1),在 37℃孵箱染色10 min,1000×g離心10 min,棄上清,加入適量PBS,吹打混勻,滴片,在熒光顯微鏡下觀察。正常細胞被Hoechst33342染成藍色熒光,細胞形態(tài)規(guī)整,細胞核較大;凋亡細胞呈現(xiàn)形態(tài)不規(guī)則、核染色質(zhì)凝集和核膜破裂等凋亡特征;壞死細胞被PI染成紅色熒光,屬凋亡后期細胞。每組細胞取3張玻片,每張隨機選取6個200倍視野,計數(shù)正常細胞、凋亡細胞和壞死細胞,并計算正常細胞、凋亡細胞和壞死細胞百分率。
取對數(shù)生長期細胞,常規(guī)消化傳代,調(diào)整細胞密度為5×108L-1,接種于75 ml培養(yǎng)瓶內(nèi),培養(yǎng)24 h后,加入哇巴因 0.1 μmol·L-1分別作用 24 和 48 h,同時設(shè)培養(yǎng)基對照組,離心,PBS洗滌,75%冰乙醇4℃固定過夜,RNA 酶250 mg·L-137℃孵育30 min,PI 50 mg·L-1染色 30 min,上機前 300 目尼龍網(wǎng)過濾。激發(fā)波長488 nm,發(fā)射波長530 nm,檢測細胞凋亡百分率。
取對數(shù)生長期細胞,以1×107L-1密度接種于Confocal專用小平皿中,24 h后加入哇巴因0(正常對照),0.01,0.1 和 0.5 μmol·L-1分別作用 12,24和36 h后,PBS洗 2次,加入 100 μl H2DFFDA 5 μmol·L-1,37℃ 避光溫育 45 min,激光共聚焦顯微鏡測定[Ca2+]i,激發(fā)光波長為488 nm,檢測波長為530~560 nm。
實驗分組同1.6,用H2DCF-DA標(biāo)記ROS自由基,加入 100 μl H2DFFDA 5 μmol·L-1,37℃ 避光溫育45 min,激光共聚焦顯微鏡測定細胞內(nèi)ROS濃度。激發(fā)光波長為 488 nm,檢測波長為530~560 nm。
哇巴因0(正常對照),0.01,0.1 和0.5 μmol·L-1加入細胞作用24 h后,收集細胞,用Trizol法提取細胞總RNA,逆轉(zhuǎn)錄具體步驟參考PrimeScriptTMRT逆轉(zhuǎn)錄試劑盒說明書。PCR反應(yīng)體系:cDNA 10 μl,5 ×PCR緩沖液 10 μl,DNA 聚合酶(TaqTMHS)0.25 μl,上游引物 1.0 μl,下游引物 1.0 μl。胱天蛋白酶3引物:上游,5'-GTGGAATTGATGCGTGATG-3',下游,5'-GGAATCTGTTTCTTTGCATG-3',擴 增 產(chǎn) 物499 bp;β肌動蛋白:上游,5'-TGTTTGAGACCTTCAACACCC-3',下游,5'-AGCACTGTGTTGGCGTACAG-3',擴增產(chǎn)物540 bp。反應(yīng)條件:94℃ 2 min,94℃ 30 s,55℃ 1 min,72℃延伸 1 min;擴增 30 循環(huán);72℃延伸10 min。反應(yīng)完成后取10 μl擴增產(chǎn)物進行2%瓊脂糖凝膠上電泳。用凝膠自動成像系統(tǒng)掃描,以β肌動蛋白為內(nèi)參照,以胱天蛋白酶3與β肌動蛋白灰度值的比值表示胱天蛋白酶3 mRNA相對表達水平。
哇巴因0(正常對照),0.01,0.1 和0.5 μmol·L-1加入細胞24 h后收集細胞,200 μl細胞裂解液,冰上裂解60 min,15 000×g離心,BCA法測定上清液中蛋白質(zhì)濃度。上樣蛋白質(zhì)50 μg,進行SDS-PAGE電泳,伯樂半干轉(zhuǎn)印系統(tǒng)轉(zhuǎn)膜,5%脫脂奶粉37℃封閉2 h,加入兔抗人胱天蛋白酶3一抗(1∶200),4℃孵育過夜,用含0.05%吐溫20的Tris緩沖液洗3次,每次15 min;用辣根過氧化物酶標(biāo)記羊抗兔IgG二抗(1∶4000)37℃孵育2 h,用含0.05%吐溫20 的Tris緩沖液洗3次,將膜置于暗盒中,壓片曝光,顯影,定影。Bandscan 5.0軟件分析各條帶的積分吸光度(integrated absorbance,IA)值,以 IA胱天蛋白酶3/IAβ肌動蛋白值表示胱天蛋白酶3蛋白的相對表達水平。
由表1 可見,哇巴因在0.01 ~10 μmol·L-1濃度范圍內(nèi)與ECV304細胞分別作用24,48和72 h,對細胞存活抑制率明顯增加,且呈濃度和時間依賴性,24,48和72 h濃度-效應(yīng)相關(guān)系數(shù)分別為 0.984,0.994和0.997(P <0.05);24,48 和 72 h 哇巴因的IC50值分別為 0.624,0.184 和 0.041 μmol·L-1,時間-效應(yīng)相關(guān)系數(shù)為0.974(P <0.05)。
流式細胞術(shù)檢測結(jié)果(圖1)表明,正常對照組24和48 h細胞凋亡百分率分別為(4.2±0.5)% 和(4.7 ±0.5)%,哇巴因0.1 μmol·L-1作用 ECV304 細胞24和48 h,細胞周期G0/G1前出現(xiàn)亞二倍體峰,細胞凋亡百分率分別為(26.0±3.2)% 和(36.5±5.3)%,與對照組比較明顯升高(n=3,P <0.01)。
如圖2和圖3結(jié)果所示,正常對照組細胞被Hoechst33342染成藍色熒光,細胞形態(tài)規(guī)整,細胞核較大。哇巴因 0.1 μmol·L-1與細胞作用 24 h 可誘導(dǎo)細胞凋亡,部分細胞呈核染色質(zhì)凝集、藍染的凋亡形態(tài);哇巴因 1 μmol·L-1可誘導(dǎo)細胞凋亡和壞死;哇巴因 10 μmol·L-1細胞大量壞死。哇巴因 0.1 μmol·L-1作用48 h,細胞凋亡數(shù)量明顯增加,其中紅染但染色質(zhì)凝集細胞為凋亡后期細胞。
表1 哇巴因?qū)CV304細胞存活的影響Tab.1 Effect of ouabain on ECV304 cell survival
圖1 流式細胞儀分析哇巴因與ECV304細胞作用24(A)和48 h(B)對細胞凋亡的影響.1:正常對照;2:哇巴因0.1 μmol·L-1.Fig.1 Effect of ouabain on apoptosis of ECV304 cells incubated for 24(A)and 48 h(B)detected by flow cytometry.
圖2 哇巴因與ECV304細胞作用24 h對細胞凋亡的影響 (Hoechst33342 ×200).A:正常對照組;B,C和D:分別為哇巴因0.1,1 和10 μmol·L-1組.箭頭示凋亡細胞.Fig.2 Effect of ouabain on apoptosis of ECV304 cells incubated for 24 h(Hoechst33342 ×200).
圖3 哇巴因與ECV304細胞作用24(A)和48 h(B)對細胞凋亡的影響 (Hoechst33342×200).1:正常對照組;2:哇巴因0.1 μmol·L -1組.箭頭示凋亡細胞.Fig.3 Effect of ouabain on apoptosis of ECV304 cells incubated for 24(A)and 48 h(B)(Hoechst33342 ×200).
圖4及表2和圖5及表3結(jié)果表明,哇巴因0.01,0.1 和 0.5 μmol·L-1分別與 ECV304 細胞作用12,24 和36 h,[Ca2+]i和 ROS 濃度呈濃度和時間依賴性增加,在哇巴因 0.5 μmol·L-1時[Ca2+]i和ROS濃度的時間-效應(yīng)相關(guān)系數(shù)分別為0.912和0.924(P <0.05),作用 36 h 時[Ca2+]i和 ROS 濃度的濃度-效應(yīng)相關(guān)系數(shù)分別為0.889和0.907(P <0.05)。
圖4 激光共聚焦顯微鏡檢測哇巴因與ECV304細胞作用12(A),24(B)和36 h(C)對細胞內(nèi)游離鈣離子濃度([Ca2+]i)的影響 (×100).1:正常對照;2:哇巴因0.01 μmol·L-1;3:哇巴因0.1 μmol·L-1;4:哇巴因0.5 μmol·L-1.Fig.4 Effect of ouabain on concentration of intracellular free calcium ion([Ca2+]i)in ECV304 cells incubated for 12(A),24(B)and 36 h(C)detected by laser confocal microscope(×100).
圖5 激光共聚焦顯微鏡檢測哇巴因與ECV304細胞作用12(A),24(B)和36 h(C)對細胞內(nèi)活性氧(ROS)濃度的影響(×200).1:正常對照;2:哇巴因0.01 μmol·L -1;3:哇巴因 0.1 μmol·L -1;4:哇巴因 0.5 μmol·L-1.Fig.5 Effect of ouabain on reactive oxygen species(ROS)concentration in ECV304 cells incubated for 12(A),24(B)and 36 h(C)detected by laser confocal microscope(×200).
表2 哇巴因?qū)CV304細胞內(nèi)鈣離子濃度([Ca2+]i)的影響Tab.2 Effect of ouabain on intracellular calcium ion concentration([Ca2+]i)in ECV304 cell
表3 哇巴因?qū)CV304細胞內(nèi)活性氧(ROS)濃度的影響Tab.3 Effect of ouabain on reactive oxygen species(ROS)in ECV304 cell
圖6 逆轉(zhuǎn)錄PCR檢測哇巴因與ECV304細胞作用24 h對胱天蛋白酶3 mRNA表達的影響.用胱天蛋白酶3與β肌動蛋白條帶灰度比值表示胱天蛋白酶3 mRNA相對表達水平.A:條帶1 ~4,哇巴因0,0.01,0.1 和0.5 μmol·L-1組;條帶5 ~8,哇巴因0,0.01,0.1和0.5 μmol·L-1組;M:標(biāo)志物.B:定量分析結(jié)果.±s,n=3.*P <0.05,與 0 μmol·L-1組比較.Fig.6 Effect of different concentrations of ouabain on caspase 3 mRNA expression in ECV304 cells incubated for 24 h detected by RT-PCR.
逆轉(zhuǎn)錄PCR結(jié)果(圖6)顯示,與正常對照組相比,哇巴因 0.01 μmol·L-1與 ECV304 細胞作用 24 h,胱天蛋白酶3 mRNA表達無明顯變化,哇巴因0.1和 0.5 μmol·L-1作用24 h,胱天蛋白酶 3 mRNA 表達明顯增加(P<0.05)。Western印跡法結(jié)果(圖7)顯示,與正常對照組相比,哇巴因 0.01,0.1和0.5 μmol·L-1與 ECV304 細胞作用 24 h 胱天蛋白酶3蛋白表達明顯增加(P<0.05)。
圖7 Western印跡法檢測不同濃度哇巴因與ECV304細胞作用24 h對胱天蛋白酶3蛋白表達的影響.A:條帶1~4,哇巴因0,0.01,0.1 和0.5 μmol·L-1;B:定量分析結(jié)果.IA:積分吸光度.±s,n=3.*P<0.05,與0 μmol·L-1組比較.Fig.7 Effect of ouabain on caspase 3 protein expression in ECV304 cells incubated for 24 h detected by Western blotting.
外源性哇巴因(毒毛花苷G,strophantin G)來源于植物夾竹桃苷,為哺乳動物細胞膜表面Na+/K+-ATPase的天然抑制因子。近年來,在動物和人體內(nèi)檢測到一種由腎上腺皮質(zhì)分泌的類固醇激素,被命名為內(nèi)源性哇巴因,兩者的分子結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)均相同[5]。研究表明,內(nèi)源性哇巴因與原發(fā)性和繼發(fā)性高血壓等心血管疾病密切相關(guān)。因此,哇巴因的潛在功能成為目前的研究熱點。Manunta等[6]提出長期高血壓可以引起血管內(nèi)皮細胞不可逆性損傷,導(dǎo)致血管重塑及靶器官功能障礙。因此,血管內(nèi)皮細胞功能損傷與心血管疾病發(fā)病機制之間的聯(lián)系更為人所關(guān)注。本研究在前期內(nèi)源性洋地黃物質(zhì)與心血管疾病關(guān)系的研究基礎(chǔ)上,重點探討外源性哇巴因?qū)θ搜軆?nèi)皮細胞凋亡的影響及其作用機制。
哇巴因?qū)毎L的調(diào)節(jié)是多向的,不同濃度的哇巴因?qū)Σ煌毎淖饔貌煌?。任延平等?]報道,哇巴因 0.001 μmol·L-1能刺激人血管內(nèi)皮細胞增殖,而在病理濃度(0.01 ~1 μmol·L-1)下引起細胞凋亡,通過直接造成內(nèi)皮損傷而啟動高血壓血管重塑,進一步加重繼發(fā)的靶器官損傷。本課題組綜合前期研究結(jié)果,即哇巴因作用后,血管內(nèi)皮細胞出現(xiàn)細胞腫脹和細胞器溶解等壞死特征,同時亦具有諸如染色質(zhì)凝集和胱天蛋白酶級聯(lián)反應(yīng)等凋亡特征,因此提出Na+/K+-ATP酶抑制后能夠同時引起細胞凋亡和壞死,此現(xiàn)象稱之為雜合性細胞死亡(hybrid cell death)[8]。Xiao 等[9]將哇巴因作用于培養(yǎng)的皮質(zhì)神經(jīng)元,發(fā)現(xiàn)在細胞腫脹之后可出現(xiàn)細胞皺縮,同時伴隨約80%細胞K+流失,提示細胞內(nèi)生理濃度K+具有抑制凋亡的作用,細胞內(nèi)K+濃度穩(wěn)態(tài)改變可能也是觸發(fā)凋亡的始動因素之一。也有報道認(rèn)為,細胞內(nèi)Na+濃度升高以及Ca2+超載對凋亡的發(fā)生也有重要的調(diào)節(jié)作用[10]。
Na+/K+-ATP酶是一類跨膜蛋白,由2~4個α和β亞基組成,α亞基是催化亞單位分為α1~α4亞型,β亞基是調(diào)節(jié)亞單位分為β1~β3亞型,α亞單位上分布著陽離子、ATP和Na+/K+-ATP酶抑制劑的結(jié)合位點[11-12]。Na+/K+-ATP 酶不僅維持細胞內(nèi)高K+和低Na+濃度的離子平衡狀態(tài),亦作為洋地黃物質(zhì)信號傳遞受體,激活Src家族激酶,偶聯(lián)表皮生長因子受體;募集調(diào)節(jié)蛋白Shc,將洋地黃信號傳遞至Ras-Raf-絲裂原激活蛋白激酶途徑,形成級聯(lián)反應(yīng)[4]。
本研究發(fā)現(xiàn),隨著哇巴因濃度的增加和作用時間的延長,其對ECV304細胞存活的抑制作用逐漸增強;哇巴因不同濃度對細胞凋亡特征的影響有所不同,哇巴因 10 μmol·L-1對細胞存活具有明顯的抑制作用,24 h后引起細胞壞死,PI透過破損的細胞膜,將細胞染成紅色,且染色質(zhì)不出現(xiàn)凝集;哇巴因 0.1 μmol·L-1可誘導(dǎo) ECV304 細胞凋亡,凋亡細胞的細胞膜完整,核藍染,染色質(zhì)呈亮珠狀凝集。此外,哇巴因可增加 ECV304細胞[Ca2+]i及 ROS濃度,并呈濃度-時間依賴性。其機制可能有以下幾個方面:①哇巴因抑制Na+/K+-ATP酶活性,細胞內(nèi)外Na+-K+交換降低,細胞內(nèi)Na+積聚,引起細胞膜去極化,激活電壓依賴式Ca2+通道,大量Ca2+進入細胞;②細胞內(nèi)Na+含量升高,細胞內(nèi)外Na+-Ca2+代償性交換增加,[Ca2+]i增加[13];③Na+/K+-ATP酶本身就與Ca2+轉(zhuǎn)運相關(guān),Na+/K+-ATP酶被抑制后,細胞內(nèi)ATP分解減少,含量增加,ATP激活蛋白激酶使Na+/K+-ATP酶磷酸化,致細胞膜對Ca2+通透性增加和細胞內(nèi)結(jié)合鈣釋放[13];另有報道,Na+/K+-ATP酶抑制后可激活絲裂原激活蛋白激酶信號途徑,后者使L型Ca2+通道蛋白磷酸化,導(dǎo)致鈣離子內(nèi)流,使[Ca2+]i升高[14]。ROS 可損傷各種膜性細胞器和DNA分子,是引起細胞凋亡的重要介質(zhì)。細胞內(nèi)ROS濃度增加,可能與Na+/K+-ATP酶受抑制后細胞內(nèi)線粒體膜電位發(fā)生變化,線粒體出現(xiàn)腫脹,糖酵解程度降低,還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 (nicotinamide-adenine dinucleotide phosphate,NADPH)即還原型輔助酶Ⅱ生成減少有關(guān)。NADPH是維持谷胱甘肽過氧化物酶/還原酶與硫氧還原蛋白活性所必須的物質(zhì),后兩者對清除細胞內(nèi) ROS起著重要作用[15]。另外,哇巴因作用ECV304細胞后還可引起ECV304細胞的胱天蛋白酶3表達增加,表明Na+/K+-ATP酶受抑制后可導(dǎo)致Ca2+和ROS含量增加,并引起繼發(fā)性的線粒體膜電位變化,最終線粒體破裂釋放大量細胞色素c,進而增加胱天蛋白酶3表達誘導(dǎo)細胞凋亡;同時Chueh 等[16]報道,哇巴因 5 μmol·L-1可誘導(dǎo)人平滑肌細胞同時發(fā)生細胞凋亡和壞死,在此過程中可檢測到胱天蛋白酶3的活化。
總之,哇巴因抑制血管內(nèi)皮細胞Na+/K+-ATP酶引起細胞[Ca2+]i和ROS濃度升高,同時伴隨胱天蛋白酶3表達增加可能是引起血管內(nèi)皮細胞損傷的直接原因,其作用機制有待進一步研究。
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